Magnetische materialen die spiraalvormige structuren vormen - opgerolde vormen vergelijkbaar met een wenteltrap of de dubbele helixstrengen van een DNA-molecuul - vertonen soms exotisch gedrag dat de informatieverwerking op harde schijven en andere digitale apparaten zou kunnen verbeteren.

Een onderzoeksteam van de Colorado State University gebruikt neutronen in het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) van het Department of Energy (DOE's) om zo'n materiaal te bestuderen. Fe3PO7. Hoewel spiraalvormige structuren typisch worden gevormd door magnetische momenten die in een bepaalde richting om een ​​as wikkelen, de onderzoekers ontdekten dat Fe3PO7 geen bepaalde richting kiest en alleen spiraalvormige structuren op korte afstand laat vormen. Deze structuren kunnen nieuwe technologische mogelijkheden bieden.

"Omdat de richting van de helix in de ruimte varieert, het heeft wat we een gedeeltelijke orde noemen, wat betekent dat er geen vaste richting is voor de spiraalvormige as om te wijzen, " zei assistent-professor Kate Ross, die ook een voormalig voorzitter is van ORNL's SNS-HFIR User Group.

Door de magnetische structuur van Fe3PO7 te bepalen met behulp van het Four-Circle Diffractometer-instrument, bundellijn HB-3A bij ORNL's High Flux Isotoop Reactor (HFIR), de onderzoekers hopen de onderliggende factoren te identificeren die bijdragen aan deze ongebruikelijke spiraalvormige magnetische structuur. Neutronen hebben hun eigen "spin" (een intrinsiek momentum), waardoor ze gevoelig zijn voor magnetisme in materialen, wat betekent dat ze het ideale hulpmiddel zijn voor de taak.

Het kleine kristalmonster van het team is antiferromagnetisch, wat betekent dat elke spin op het atoomrooster probeert in de tegenovergestelde richting van zijn aangrenzende spin te kijken. Echter, Fe3PO7 vormt een rooster op basis van driehoekige eenheden die deze opstelling onmogelijk maakt, resulterend in een atomaire impasse genaamd 'frustratie'. Deze sleutelkwaliteiten kunnen het team helpen bij het onderzoek naar de onconventionele magnetische structuur.

"We denken dat er een opwindende mogelijkheid is die mogelijk de gedeeltelijke spiraalvormige volgorde en korteafstandscorrelaties van dit materiaal zou kunnen verklaren, die beide ongebruikelijk zijn om te zien in een materiaal in vaste toestand, ' zei Roos.

Dit fenomeen kan worden veroorzaakt door verwrongen gebieden van magnetisatie die "skyrmionen" worden genoemd en die magnetische spinpatronen verstoren. Volgens Roos, deze antiferromagnetische, "egelachtige" defecten kunnen het veld van spintronica vooruithelpen, waarbij elektronenspin wordt gemanipuleerd om de opslag van magnetische informatie en andere toepassingen te verbeteren.

Na analyse van hun gegevens, de onderzoekers zijn van plan om aanvullende onderzoeken uit te voeren die zijn gericht op de dynamiek van Fe3PO7 om dit scenario te bevestigen.

Ross heeft gefrustreerd magnetisme bestudeerd sinds haar studententijd, en het onderwerp blijft haar tot op de dag van vandaag fascineren en inspireren. Ze beschrijft haar team als ontdekkingsreizigers die op zoek zijn naar interessante magnetische fasen die vaak tot onverwachte conclusies komen.

"Dat houdt me echt geïnteresseerd in het doen van dit soort projecten, "zei ze. "Je kunt op basis van een goed idee de ene kant op gaan en dan afgeleid worden om iets heel anders te leren."